Файл: Синергетика и усталостное разрушение металлов..pdf

Аи*,Дж/мм3

Рис. 4. Изменение критической плотности внутренней энергии Ли,в зависимостиот мощности шлифования W

1 —сталь УвА,2 —чугун СЧ18-36,3 —сталь 40Х,4 —бронза ОЦСЗ-12-6,3 —латунь Л-68,6 —алюминиевый сплав АО9-2

На рис. 1представлены кинетические кривые изменения в деформи­ руемых объемах образца плотности скрытой энергии стали 45 в отож­ женном состоянии. Аналогичные кинетические кривые получены для других исследований сталей и режимов ихтермообработки.

Анализ этих данных показывает,что процесс накопления скрытой энер­ гии Аие, а следовательно, и повреждаемости материала во времени про­ текает с переменной скоростью ие и носит затухающий характер, что на­ ходится в хорошем соответствии с кинетическим уравнением повреж­

даемости (10).

41

Таблица 3 Значениятермоактивационныхпараметров усталостного разрушения для стали

Всвязи с этим представляют интерес экспериментальные зависимос­ ти скорости изменения в деформируемых объемах образцов йе от ве­ личины текущих значений изменения плотности скрытой энергии Аие. Графики этих зависимостей для сталей 45 и 40Х в отояокенном состоянии представлены в координатах йе -Аие (рис. 5,д, б) и lntie—Аие (рис.5,а , б) соответственно. Анализ этих графиков, а также аналогичных графи­ ков для других исследованных материалов показал, что они хорошо опи­ сываются кинетическими уравнениями повреждаемости (10), (33) и (34). Анализ графиков показывает, что в полулогарифмических коор­ динатах lniiе—Аие (см. рис. 5,а,б’) экспериментальные данные хоро­ шо укладываются на веер прямых, угол наклона которых к оси Аие за­ висит от амплитуды напряжений и температуры образцов, с увеличением которых наклон прямых уменьшается, что находится в хорошем соот­

ветствии с кинетическими уравнениями (10), (35), (36). Сцельюопределения параметров кинетического уравнения (36) экспе­

риментальные данные, представленные для сталей 45 (см. рис. 5,д,а') и 40Х (рис. 5,б,б'), а также аналогичные данные для других материалов, подвергнуты статистической обработке по методу наименьших квадратов.

Результаты статистического анализа экспериментальных данных [3] с использованием кинетического уравнения повреждаемости (36) (см. рис. 5 и табл. 3) позволяют произвести оценку активационных парамет­ ров процесса усталостного разрушения исследованных металлов. При

квазиизотермическом рассмотрении процесса (Г = 0О= const) пара­ метр Ав уравнении (36) зависит от амплитуды напряжений и темпера­ туры и хорошо описывается экспоненциальной зависимостью от квад­ рата амплитуды напряжений

А(оа,Г)=Л0ехр(у'оI).

Анализ этих данных показывает, что для исследованных сталей в отож­ женном состоянии значения энергии активации процесса усталостного раз­ рушения изменяютсяв сравнительно узких пределах (U0 = 15 157— 16 106 МДж/м3) и близко совпадают с универсальным энергетическим параметром для Feyq = 15 235 МДж/м3 (26 227 кал/г-атом), предложен­ ным в работе [10], и хорошо коррелируют с энергией активации образова­ ния вакансий [11, 12]. Параметр у1изменяется при этом в широких преде­

лах у = (0,721-1,724)102в зависимости от физико-химической природы и структуры сплава.

42

Рис. 5. Зависимость скорости йе накопления в деформируемых объемах образцов из стали 45 (а, а1) и стали 40Х(б, б1) скрытой энергии от текущих значений измене­ ния плотности скрытой энергии Аие и амплитудынапряжений аа

При аа, МПа: а,а1\1 - 253, 2 - 240, 3 - 239, 4 - 281, 5 - 225;б,б : 1- 289, 2 - 387,3 - 270,4 - 264,5 - 238,6 - 250

Если рассматривать процесс усталостного разрушения неизотермическим и учитывать при статистическом анализе экспериментальных данных тем­ пературу разогрева материала Д7у, то полученные по уравнениям (36), (37) значения энергии активации процесса U'0(oa, Т) существенно зависят от температуры Ту и амплитуды циклических напряжений оа. При этом для всех исследованных сталей наблюдается возрастание энергии активации процесса усталостного разрушения с увеличением амплитуды циклических напряжений. При низких напряжениях, близких к величине предела вы­ носливости, когда температура разогрева материала ATfстремится к нулю, значения энергии активации процесса усталостного разрушения исследо­ ванных сталей становятся минимальными и по своей величине близко совпадают с энергией активации разрыва (диссоциации) межатомных свя-

43

УДК621.539.212

АМОРФИЗАЦИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ВЗОНЕ ПЕРЕД ВЕРШИНОЙРАЗВИВАЮЩЕЙСЯ ТРЕЩИНЫ

А.А. Тутнов,В.М.Доровский,Л.А.Елесин

Исследованиям механизмов зарождения и распространения микро­ трещин при деформировании металлов посвящено большое число работ. Однако до настоящего времени не найдено объяснение некоторым физи­ ческим процессам, предшествующим появлениюв материале субмикро­ трещин (СМТ) и скачкообразному подрастаниюмикротрещин.

Как известно, в пластичных материалах рост микротрещин происходит за счет слияния с образующимися передихфронтом СМТ [1]. Согласно существующим представлениям о механизмах разрушения.пластичных металлов, образование СМТ происходит по<ре достижения в локальных областях пороговой концентрации дислокаций. Это противоречит экспери­ ментальным данным последних лет, согласно которым до начала продви­ жения трещины перед ее вершиной возникает зона, свободная от дислока­ ций, а затем появляются СМТ [2-5]. Данная статья посвящена изучению указанной бездиспокационной зоны.

Методика эксперимента. Исследования микропроцессов разрушения проводились на электронном микроскопе Темскан-lOOCX. Исследуемые образцы деформировались в колонне электронного микроскопа. Впроцес­ се деформирования велась видеозапись и фотографирование зоны перед фронтом микротрещины. Использовались образцы,полученные электроли­ тическим утонением массивных заготовок и вакуумным напылением ис­ следуемого материала на кристаллы каменной соли. Впервом случае цен­ тральная часть пластинчатого образца с помощью электрополировки утоня­ лась до толщины, обеспечивающей прозрачность этого участка для элек­

тронов с энергией 100 кВ.

Образцы другого типа, полученные напылением на кристалл,отделялись от последнего в ванночке с дистиллированной водой такимобразом,чтобы образец удерживался поверхностным натяжением на зеркале воды. Затем он вылавливался на специальнуюподложку, имеющую отверстия в зоне предполагаемого разрыва образца. Подложка была необходима для пред­ отвращения повреждений образца пинцетом. Вместе с подложкой образец помещался в приставку для деформирования. Толщина напыленныхобраз­ цов, а также утоненной части образцов из массивных заготовок составляла

0,1—0,3 мкм.

Полученное видеоизображение обрабатывали, измеряя размеры микро­ трещины, расстояние от вершины до ближайшей зародышевой СМТ, расстояние между СМТ.Наряду с этимопределялись кристаллографические направления распространения СМТ. Сэтой цельюфотографировали верши­

ну СМТ в режиме ”SA-mag”. Вэтом режиме, согласно инструкции,отсут­ ствует разворот относительно эпектронограммы. При съемке на экран вводили репер-метку. Далее с этого участка снимали электронограмму

в присутствии той же метки.

Полученную ,электронограмму расшифровывали, используя методы,

45

Таблица 1 Результатыизмерения длиныберегов субмикротрещины,мкм

темнопольные и светлопольные изображения,можно получить дополнитель­ нуюинформацию о зонах в районе СМТ.Спомощьюрежима микродифрак­ ции можно получить электронограмму с участка образца около СМТ и микротрещины в центральном и дифрагированных пучках. Рассмотрим подробно результаты таких электронно-микроскопических исследований области передвершиной микротрещины в образцах из алюминия.

На рис.2 приведены электронные микроскопические фотографии верши­ ны микротрсщины в светлопольноми темнопольномизображениях.Темно­ польное изображение получено путем выведения в центр диффузионного кольцевого рефлекса с помощью наклона осветительной системы.Дифраги­ рованный пучок выбирался по электронограмме с таким расчетом,чтобы темнопольное изображение формировалось в одном из рефлексов матрицы.

Спомощью курвиметра были измерены длины берегов микротрещины (между характерными ее точками) в светлом и темном полях. Разница между длинами берегов микротрещины составила 0,012-0,014 мм.Профи­ ли микротрещины в темном и светлом полях, наложенные друг на друга, показаны на рис. 3. Втабл. 1приведены результаты измерений длины бере­ гов СМТ между двумя характерными точками на светлопольном и темно­ польном изображениях в различных рефлексах участка образца,содержа­ щего СМТ после выдержки образца под нагрузкой в 1ч.

Как видно из табл. 1, отличие в линейных размерах на изображениях СМТ в светлом и некоторых темных полях достигает ~3%.Вто же время пятикратное повторение съемки в одном и том же рефлексе не дает воз­

можности обнаружить различия в профилях трещины на разных негативах. Это позволяет отклонить колебания напряжений в электросети как воз­ можную причину отличия размеров СМТ от снимка кснимку.Характерно, что чем.дальше рефлекс от центра пучка, тем большими оказываются раз­ меры изображений СМТ в темном поле. Полученный результат можно объ­ яснить эффектом аморфизации материала вокруг СМТ.

На рис. 4, б представлена электронограмма с участка образца, содержа­ щего вершину микротрещины после выдержки образца при постоянной нагрузке в течение 50 ч. Если выделить с помощью апертурной диафрагмы область у вершины микротрещины, в несколько раз меньшую, чем в пре­ дыдущих случаях, то на электронограмме появляются размытые дифрак­ ционные кольца, присущие либо чрезвычайно мелкозернистым, либо аморфным материалам (см. рис.4, б). Одновременное присутствие на элек­ тронограмме точечных рефлексов может быть связано с тем,что полностью отделить область аморфного материала от поликристаллических областей не удается, так как для этого потребовалось бы применить диафрагмы

47